松木桩设部幕墙门窗标准化技术委员会专家组长 龙文志五 玻璃强度的特点1 高硬度，抗压强度比抗拉强度高数倍。常温下玻璃有许多优异的力学性能：高的抗压强度、好的弹性、高的硬度，莫氏硬度在5～6之间，用一般的金属刻化玻璃很难留下痕迹，切割玻璃要用硬度极高的金刚石。玻璃与常用建筑材料的强度比较如下：2 玻璃没有屈服强度。 玻璃的应力应变拉伸曲线与钢和塑料是不同的，钢和塑料的拉伸应力在没有超过比例极限以前，应力与应变呈线性直线关系，超过弹性极限并小于强度极限，应变增加很快，而应力几乎没有增加，超过屈服极限以后，应力随应变非线性增加，直至钢材断裂。玻璃是典型的脆性材料，其应力应变关系呈线性关系直至破坏，没有屈服极限，与其它建筑材料不同的是：玻璃在它的应力峰值区，不能产生屈服而重新分布，一旦强度超过则立即发生破坏。应力与变形曲线见图二十。3 造成玻璃強度減弱的原因 玻璃的理论断裂强度远大于实际强度。玻璃的理论断裂强度就是玻璃材料断裂强度在理论上可能达到的最高值，计算玻璃理论断裂强度应该从原子间结合力入手，因为只有克服了原子间的结合力，玻璃才有可能发生断裂。Kelly在1973年的研究表明理想的玻璃理论断裂强度一般处于材料弹性模量的1/10～1/20之间，大约为0.7×104MPa，远大于实际强度，在实际材料中，只有少量的经过精心制作极细的玻璃纤维的断裂强度，能够达到或者接近这一理论的计算结果。断裂强度的理论值和建筑玻璃的实际值之间存在的悬殊的差异，造成玻璃強度減弱的原因是因为玻璃在制造过程中不可避免的在表面产生很多肉眼看不见的裂纹，深度约5μm，宽度只有0.01到0.02μm，每mm2面积有几百条，又称格里菲思裂纹,见图二十一、图二十二。至使断裂强度的理论值远大于实际值。1913年Inglis提出应力集中理论，指出截面的急剧变化和裂纹缺陷附近的区域将产生显著的应力集中效应，即这些区域中的最大拉应力要比平均拉应力大或者大很多。对于韧性材料，当最大拉应力超过屈服强度之后，由于材料的屈服效应使应力的分布愈来愈均匀，应力集中效应下降；对玻璃这样的脆性材料，高度的应力集中效应保持到断裂时为止，所以对玻璃结构除了要考虑应力集中效应之外，还要考虑断裂韧性。5.4玻璃断裂的特点。美国劳务输出 (1) 断裂强度大小不一，离散度很大，见图二十三。
(2) 由于拉应力作用，断裂一般起源于玻璃表面。
(3) 断裂强度与裂纹深度有直接关系，见图二十四。
(4) 断裂强度与荷载的持续时间有一定的关系，见图二十五。
a、b、c是玻璃表面裂纹程度不同的三种玻璃图)
图二十三 玻璃断裂强度统计分析图
图二十四 玻璃断裂强度与裂纹深度关系
图二十五 玻璃断裂强度与荷载时间关系
5 玻璃的统计力学强度。
玻璃的断裂强度离散性大，强度的测定与测试条件如加载方式、加载速率、持续时间等密切相关。很多国家往往采用统计分析方法推断出玻璃强度的估算公式，通常将几百片玻璃破坏的试验结果进行统计处理，求出平均值和标准差，推断玻璃的力学强度，给出设计安全系数与失效关系如下：
六 玻璃断裂力学-线弹性断裂力学
1 在传统的强度计算中，构件看成不带裂纹的连续体，并以工作应力和许用应力或以应力设计值和材料强度设计值相比较来判断构件的强度，实践证明对一般结构，这种传统的方法是可靠的，但对象玻璃这样的脆性材料，可靠性是不够的，研究玻璃结构的安全使用问题，必须从玻璃材料不可避免地存在裂纹这一客观的事实出发，即既要考虑裂纹应力集中的效应，又要考虑玻璃材料的断裂韧性，早在二十世纪二十年代，格里菲思(Griffith)对玻璃低应力脆断的理论分析，提出了玻璃的实际强度取决于裂纹扩展应力的著名论点，创立了玻璃断裂力学，即线弹性断裂力学。随后发展的弹塑性断裂力学在导弹、飞机、原子能、桥梁、大型锻焊件等结构得了成功的应用，显示了断裂力学强大的生命力。
2 研究裂纹尖端附近的应力、位移以及裂纹扩展规律的力学，称为断裂力学。玻璃构件的断裂是由于其中存在裂纹并在一定应力水平下扩展而导致的。在发生脆性断裂前，除了裂纹端部附近的很小范围外，材料均处于弹性状态，可按线弹性理论来分析应力和变形，称之为“线弹性断裂力学”。二十世纪五十年代，采用复变函数分析方法，对裂纹端部的应力与变形进行研究，发现应力场的水平只与参数K1(张开型裂纹)有关，称此为应力强度因子。
玻璃结构一般为有限宽度的薄板，表面裂纹呈非贯穿性，按照断裂力学的分析方法，笔者推荐玻璃结构K1的估算式为：
新国学网 K1=1.1×σn×a1/2 ----------- (1)
σn——— 裂纹所在平面上净截面的平均应力
a ——— 表面裂纹深度
K1 ——— 应力强度因子
3 断裂韧度及断裂判据。
断裂力学的试验表明：对于一定厚度的玻璃，当应力强度因子达到某一临界值，裂纹即迅速扩展(称为失稳扩展)而导致玻璃结构脆性断裂，这就更进一步证明用应力强度因子来描述裂纹尖端的受力程度，是客观反映了玻璃结构脆性断裂的本质。使裂纹发生失稳扩展的临界应力强度因子值，称为材料的断裂韧度，以K1c表示，玻璃结构脆性断裂的判据：
K1＝K1C ------------ (2)
当K1＜K1C玻璃不断裂；当K1＝K1C玻璃断裂。
K1C是材料固有的一种力学性质，根据文献《Construire en verre》，推算浮法玻璃的K1C≈0.76×105Nm-3/2
4 硫化镍临界直径
应用断裂力学的研究方法，Swain推导出下述公式[4]，可计算引起自爆的NiS的临界直径Dc
Dc=(πK21c) / (3.55P00.5σ01.5)
临界直径Dc值取决于NiS周围的玻璃应力值σ0 。式中应力强度因子K1c=0.76105Nm-3/2度量相变及热膨胀的因子P0=615Mpa。
5 钢化玻璃的强度为甚么得到提高？
钢化玻璃的生产方法：把玻璃加热到接近软化温度(不低於640℃)，然后出炉进行快速冷却，使玻璃表面产生了压应力，玻璃表面的荷载拉应力σL和玻璃表面的压应力σU相抵消，降低了玻璃表面实际拉应力的水平，从而提高了玻璃的强度。如图二十六。
图二十六 钢化玻璃的增强机理示意图
一般钢化玻璃表面的预压应力σU＝70MPa，浮法玻璃的强度σf＝50MPa，则钢化玻璃的强度σg＝σU＋σf＝120MPa。
σg/σf＝120Mpa/50MPa＝2.4
一般钢化玻璃的强度为浮法玻璃的4-5倍，因此，上述分析还是不够的，尚需辅以断裂力学的分析：人们发现用处理玻璃表面，会使玻璃强度大大堤高，这是由于的强腐蚀，使玻璃表面裂纹尖端产生钝化所致；同样，玻璃加热到高温时，表面裂纹的尖端产生钝化，相当于裂纹原来深度a减小为(a-r)，r为钝化半径，根据(4)式可得：
(σa–σu)/σf＝(a/a-r)1/2 ---------- (7)
若a/(a-r)=8，钢化玻璃的强度可估算如下：
σa=81/2×σf＋σu≈2.83×50MPa＋70Mpa=210MPa
这和一般钢化玻璃的强度平均值相吻合。
6 钢化程度
钢化程度实质上可归结于玻璃内应力的大小。Jacob[5]给出了玻璃表面压应力值与50x50mm范围内碎片颗粒数之间的对应关糸(图5)。
板芯张应力在数值上等于表面压应力值的一半。美国ASTMC1048标准规定:钢化玻璃的表面应力范围为大于69Mpa、热增强玻璃为24—52Mpa。我国幕墙玻璃标准则规定应力范围为:钢化玻璃95Mpa以上、半钢化24—69Mpa
图5.玻璃表面应力与碎片数的关系
计算得到不同钢化程度玻璃的NiS临界直径Dc如表1:
表1. 玻璃的应力范围及计算的相应硫化镍结石的临界直径
显然，应力越大，临界直径就越小，能引起自爆的NiS颗粒也就越多，自爆率相应就越高。
6 钢化炉水平的高低与相应的临界直径Dc：
在二台不同厂家制造的水平钢化炉上各随机选择了10块规格为275x300x8mm玻璃,用GASP表面应力仪测定了玻璃的表面压应力σ，并计算了相应的临界直径Dc，数据如下表2及表3:
表面应力数据可以从一个侧面反映出钢化炉水平的高低。甲厂钢化炉同一批次的各块玻璃钢化应力差别较大，说明炉子的工况并不稳定。而乙厂钢化炉工况很稳定，同一批次的玻璃具有相同的钢化应力。
表2. 甲厂水平钢化炉(规格2400x3600mm)玻璃表面应力值及临界直径值
表3. 乙厂水平钢化炉(规格2400x3600mm)玻璃表面应力值及临界直径值
7 钢化均匀度影响临界直径Dc：
钢化均匀度是指同一块玻璃不同区域的应力一致性(图6),可测定由同一块玻璃平面各部分的
加热温度及冷却强度不一致产生的平面应力(area stress)，这种应力叠加在厚度应力上，使一些区域的实际板芯张应力上升，引起临界直径Dc值下降，最终导致自爆率增加。以下是用SM-100型应力仪测定的平面应力数值σ0 及计算出的考虑平面应力因素后的临界直径Dc值(与表面应力使用同一批样品):
周亮李美玲表3. 甲厂钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值
表4. 乙厂钢化炉玻璃平面应力值及临界直径值
图6 SM-100应力仪下钢化均匀度直观图像(比较而言:左边较差、右边较好)
图6中的左图是甲厂钢化炉生产的产品，右图是乙厂钢化炉出的产品。从中我们也可以直观地看出钢化炉的优劣。
七 防范自爆的对策
1 控制钢化应力
钢化应力越大，硫化镍结石的临界半径就越小，能引起自爆的结石就越多。显然，钢化应力应控制在适当的范围内，这样既可保证钢化碎片颗粒度满足有关标准，也能避免高应力引起的不必要自爆风险。平面应力(钢化均匀度)应越小越好，这样不仅减小自爆风险，而且能提高钢化玻璃的平整度。
己发展出无损测定钢化玻璃表面压应力的方法和仪器[6]。目前测定表面应力的方法主要有二种:差量表面折射仪法(Differential Surface Refractometry，简称DSR)和临界角表面偏光仪法(Grazing Angle Surface Polarimetry，简称GASP)。
DSR应力仪的原理是测定因应力引起的玻璃折射率的变化。
钢化玻璃之所以会有很高的抗冲击能力，是因为通过钢化炉进行热处理后，在玻璃的表面形成了强大的压应力。这种大地生命应力的存在，在一定程度上抵消了来自外部的冲击，因而表现出钢化玻璃的高强度，而且应力越大，钢化玻璃的强度就越高。但这种状况是一种不平衡状态，只要有可能它总想要回到平衡——破碎为碎粒，这就是钢化玻璃的破碎。
可能打破平衡导致钢化玻璃破碎的原因有外部的和内在的。外部原因包括过分的负载、碰撞、不适当的间隙和边部损害等；内在因素则包括：氧化钼①钢化玻璃边部加工缺陷、尖角、打孔开缺等应力集中区域应力过大，②钢化玻璃内部应力过大，③钢化玻璃内部存在硫化镍杂质。前两种因素是由于钢化玻璃加工过程中工艺控制原因导致的，硫化镍的因素在原片玻璃制作过程产生。
属于内在因素导致的破碎被称之为自爆。自爆对于钢化玻璃是不可完全避免的，也是无先兆的，其发生的机率通常在2～5‰，西方国家较低，而我国则相对较高。
玻璃内部可能包含硫化镍杂质，以小水晶状态存在，在一般情况下，不会造成玻璃破损，但是由于钢化玻璃重新加热，改变了硫化镍杂质的相态，硫化镍的高温α态在玻璃急冷时被冻结，它们再恢复到β态可能需要几年的时间。由于低温β态的硫化镍杂质将产生体积增大，在玻璃内部产生局部的应力集中，这时钢化玻璃自爆将发生。然而，仅仅比较大的杂质会引起自爆，而且仅仅当杂质在拉应力的核心部位时才能发生钢化玻璃自爆。硫化镍可以在生产完成后任何时候发生，最典型的引起钢化玻璃自爆的时间是产品生产完成后的4～5年。
1.1 钢化玻璃破碎机理
1.1.1 破碎原理
玻璃达到400多度高温时，其黏度下降，并且随着温度的继续增高，玻璃黏度继续降低，当黏度降低到1012Pa·s时，温度为Tg温度，普通钠钙硅玻璃Tg约为540~560℃，温度继续升高，玻璃开始软化，当温度达到Tf时，玻璃成熔融流体状态。
玻璃强化的主要原因为在其表面预置一层压应力层，同时在玻璃内部也会形成张应力层，
张应力为压应力的一半，其对玻璃是有害的，应该加以限制或消除。但是由于其在玻璃内部，玻璃内部结构均匀，缺陷少，所以少量的张应力玻璃还是能够承受。但过大的内部张应力将导致玻璃内部强度降低，若玻璃内部存在杂质、气泡、结构条纹、热膨胀系数不同导致的体积变化都将直接导致玻璃炸裂或自爆。钢化玻璃破碎情况是从玻璃内部开始，在玻璃张应力层最大处开始出现微裂纹，该微裂纹尖端的曲率半径非常小，根据Griffith裂纹扩展理论，在尖端存在应力集中，一旦尖端应力达到玻璃强度极限，裂纹开始扩展，随着裂纹扩展，裂纹尺寸增大，应力与裂纹尺寸的平方成正比，而玻璃等脆性材料没有吸收大量能量的塑性变形，故应力恶性循环增大，材料快速断裂。
V为裂纹扩展速度
C为裂纹的半长
A为常数
K为应力强度因子
σ为施加应力
K为应力强度因子
C为裂纹半长
Y为受力方式和性质有关的形状因子
1.1.2 物理钢化玻璃小颗粒状碎片形成机理
由于在钢化玻璃表层预置了一层压应力层，在玻璃内部出现的微裂纹可以在内层的张应力层快速扩展，而在当裂纹扩展到压应力层时，由于其能够吸收或抵消部分应力，导致应力突然减小，裂纹随着应力的减小，其扩展速度也下降，而且在裂纹在压应力层的扩展速度相比张应力层小许多，考虑到裂纹在压应力和张应力层中扩展的速度和扩展难易程度的不同，裂纹首先在玻璃内部张应力层扩展完后，在玻璃表层压应力层裂纹才扩展很小距离，最后贯穿玻璃整体。
形成小碎片是因为裂纹扩展在压应力与张应力层的速度相差很大，约23倍。裂纹在张应力层扩散完全了，压应力层裂纹才扩展很小距离，裂纹扩展释放的能量会滞留在张应力层，这部分能量除了加速裂纹扩展速度外，还会使微裂纹增殖，产生分支形成许多新鲜表面，
也可形成许多复杂的形状，这些不平整的表面可以消耗较多的能量。故风钢化玻璃的形状都很小且碎片都是不平整面。同时裂纹扩展到压应力层时受阻，裂纹会向压应力小的地方扩展，形成多条新裂纹。并且物理钢化由于工艺和冷却原因导致表面压应力层压应力分布不均匀，有许多应力薄弱地方，这更加促使了裂纹扩展形成小颗粒状。由于裂纹扩展路径复杂，以及碎片破碎面的扭曲不同，在破碎后，碎片还以机械方式咬合在一起，整块破碎后的玻璃，碎片不容易脱落。
1.1.3 化学钢化可切割原理
化学钢化由于表面大离子挤压产生压应力层，由于某个温度下离子在玻璃中的扩散系数不变，在玻璃表面扩散的深度和浓度处处相等，因此玻璃表面压应力分布非常均匀。同时因为离子在固体中的扩散速度相比液体要小得多，所以玻璃表面形成的大离子层（压应力层）厚度很小，一般为20~600μm。化学钢化玻璃也形成张应力层，但其张应力大小只有压应力的1%，玻璃内部结构均匀，缺陷少，1%的张应力为6.9MPa，而普通玻璃内部强度高于80Mpa，玻璃仍可承受70Mpa以上的张应力。所以玻璃在切割时，金刚刀划痕深度很容易超过200~600μm，直接到达张应力层，但由于张应力层还能承受80MPa的应力，故裂
纹不容易扩展，玻璃切割刀痕的裂纹会在此中止，玻璃断裂需要再外界施加应力，化钢玻璃切割类似普通玻璃。而风钢化玻璃，虽然能够在表面用金刚刀进行刻画，但是不能进行断裂切割，因为一旦微裂纹扩展到玻璃内部的张应力层（应力约70MPa），玻璃只能承受10MPa应力，加上裂纹尖端的应力集中，裂纹能够在张应力层快速扩展。裂纹的扩展速度与受到的阻力成反比，风钢化玻璃裂纹扩展的阻力为10MPa，而压应力层为80MPa+150MPa，张应力层裂纹的扩展速度要比压应力层快得多。所以风钢化玻璃裂纹扩展又重复前面所述的碎片形成机制，最终玻璃全部破碎成小颗粒状。化钢玻璃破碎也有可能从玻璃内部开始，但几率叫风钢化小得多，还有可能从表面开始破碎，但应力必须大于表面压应力强度。
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